المحوّل الكهربائي هو جهاز ثابت يعمل بشكل مستمر، ويتميز بموثوقية أعلى واحتمال أقل لحدوث الأعطال. ومع ذلك، وبسبب أن معظم المحولات تُركّب في الهواء الطلق وتتعرض أثناء التشغيل لتأثير الأحمال ولأثر أخطاء القصر في شبكة التغذية، فإن أشكالاً متعددة من الأعطال والحالات غير الطبيعية لا تُمكن تجنّبها أثناء التشغيل.

1. الأعطال الشائعة والغير طبيعية
يمكن تقسيم أعطال المحولات إلى أعطال داخلية وأعطال خارجية.
تشير الأعطال الداخلية إلى الأعطال التي تحدث داخل الغلاف، بما في ذلك عطل القصر بين المراحل في الملف، وعطل القصر بين اللفات في ملف أحد الأطوار، وعطل القصر بين الملف والنواة الحديدية، بالإضافة إلى عطل انقطاع التوصيل في الملف.
تشير الأعطال الخارجية إلى مختلف أشكال الأعطال القصيرة بين الأطوار في أسلاك التوصيل الخارجي للمحول، وكذلك إلى أعطال التأريض أحادية الطور التي تحدث عندما يتجاوز السلك المُعَزَّل لخط التوصيل حدود الغلاف الخارجي للصندوق.
يُعدّ تعطّل المحول كارثيًا للغاية. ففي حال حدوث عطل داخلي، لا يؤدي القوس الناتج عن تيار القصر عند درجات حرارة مرتفعة إلى حرق العزل وقلب ملفات المحول فحسب، بل يتسبّب أيضًا في تسخين زيت المحول وتحلله، مما يُنتج كميات كبيرة من الغاز، ويؤدي إلى تشوه غلاف المحول بل وقد يؤدي إلى انفجاره. لذلك، عند حدوث عطل في المحول، يجب إزالته على الفور.
تشمل حالات الشذوذ في المحول بشكل رئيسي: الحمل الزائد، انخفاض مستوى الزيت، التيار الزائد الناجم عن قصر خارجي، ارتفاع درجة حرارة الزيت أثناء التشغيل، ارتفاع درجة حرارة الملفات، ارتفاع ضغط المحول، وتعطل نظام التبريد. وعندما يكون المحول في حالة تشغيل غير طبيعية، ينبغي إصدار إشارة إنذار. 2. يتم تكوين الحماية الرئيسية ضد أخطاء القصر.
لحماية المحولات: تشمل أساسًا الحماية الطولية، وحماية الغاز الثقيل، وغيرها.
حماية احتياطية ضد أخطاء القصر: تشمل أساسًا حماية التيار الزائد مع قفل الجهد المركب، وحماية التيار الزائد للتيار الصفري (ذات الاتجاه)، وحماية المقاومة المنخفضة، وغيرها.
حماية التشغيل غير الطبيعي: تشمل أساسًا حماية من التحميل الزائد، وحماية من الإثارة الزائدة، وحماية من الغازات الخفيفة، وحماية فجوة نقطة التعادل، وحماية من ارتفاع درجة الحرارة ومن انخفاض مستوى الزيت ومن أعطال نظام التبريد، وغيرها.
3. الحماية غير الكهربائية
يُطلق على حماية المحول التي تتألف من كميات غير كهربائية مثل زيت المحول، الغاز، ودرجة حرارة المحول اسم الحماية غير الكهربائية. وتضم هذه الحماية بشكل رئيسي حماية الغاز، حماية الضغط، حماية درجة الحرارة، حماية مستوى الزيت، وحماية الإيقاف الكامل للمبرّد. وتؤدي الحماية غير الكهربائية وظيفتها بالفصل أو الإشارة وفقًا لاحتياجات الموقع.
(1) الحماية من الغاز
عند حدوث عطل في الجزء الداخلي من المحول، وبفعل تأثير تيار القصر وقوس كهربائي عند نقطة القصر، ينطلق كمية كبيرة من الغاز داخل المحول، كما تزداد سرعة تدفق الزيت فيه. ويُطلق على الحماية التي تتحقق باستخدام كاشفات الغاز وتدفق الزيت اسم «حماية الغاز».
حماية الغاز الخفيف: عند حدوث عطل طفيف أو شذوذ داخل المحول، يسخن موقع العطل جزئيًا، مما يؤدي إلى تمدد جزء من الزيت، وتكوّن فقاعات من الغاز داخل الزيت تنتقل إلى مرحل الغاز، فيصدر إنذار حماية الغاز الخفيف.
حماية الغاز الثقيل: عند حدوث عطل خطير في خزان زيت المحول، يزداد تيار العطل بشكل كبير، مما يؤدي إلى تفكك كمية كبيرة من زيت المحول بفعل القوس الكهربائي، فتتولد كميات كبيرة من الغاز وتدفق الزيت. وتؤدي الحاجز المُصدم إلى توجيه غازات الوقود الثقيلة نحو جهاز الحماية، مما يُرسل إشارة غاز ثقيل ويُفعّل التبديل لقطع الدائرة، وبالتالي إيقاف تشغيل المحول.
يُعدّ حماية الغاز الثقيل الحماية الأساسية للأعطال الداخلية في خزان الوقود، إذ يمكنها الكشف عن مختلف الأعطال داخل المحول. وعند حدوث عدد قليل من القصر بين اللفات داخل المحول، وعلى الرغم من ارتفاع تيار العطل، قد لا يكون التيار التفاضلي الناتج عن حماية التفاضل كبيرًا، ما يؤدي إلى رفض عمل هذه الحماية. لذلك، وللحماية من الأعطال الداخلية للمحول، يتعيّن الاعتماد على حماية الغاز الثقيل لإزالة العطل.

(2) حماية من الضغط
يُعدّ حماية الضغط أيضًا الحماية الرئيسية للأعطال الداخلية داخل خزان المحول. ويشمل حماية فتح مخرج الضغط وحماية تغيير الضغط، ويُستخدم لرصد ضغط زيت المحول.
(3) حماية درجة الحرارة ومستوى الزيت عندما
عند ارتفاع درجة حرارة المحول إلى قيمة التحذير المبكر، يُرسل نظام الحماية من ارتفاع الحرارة إشارة إنذار ويقوم بتشغيل مبرّد الاحتياط عند التشغيل. وعند حدوث تسرب للزيت من المحول أو انخفاض مستوى الزيت لأسباب أخرى، يُصدر نظام حماية مستوى الزيت إشارة إنذار.
(4) حماية كاملة من التوقف عند ارتفاع درجة الحرارة عندما
عند توقف مبرد المحول تمامًا أثناء التشغيل، يرتفع درجة حرارة المحول، وإذا لم يتم التعامل مع هذا الوضع في الوقت المناسب، فقد يؤدي ذلك إلى إتلاف عزل ملفات المحول. لذلك، عند توقف المبرد تمامًا أثناء تشغيل المحول، يُرسل نظام الحماية إشارة إنذار ويقوم بإيقاف المحول بعد فترة انتظار طويلة.
4. الحماية التفاضلية
يُعدّ الحماية التفاضلية للمحول هي الحماية الرئيسية للمحول من حيث الكميات الكهربائية، ويغطي نطاقها الجزء المحاط بمحولات التيار على كل جانب. وفي حال حدوث عطل مثل قصر بين الأطوار أو قصر بين اللفات داخل الملفات ضمن هذا النطاق، يجب تفعيل الحماية التفاضلية.

(1) تيار الدخول الناتج عن الإثارة
يُسمّى التيار الناتج عن الاندفاع المغناطيسي الذي ينشأ عند إجراء عملية توصيل المحول بالشبكة باسم «التيار الاندفاعي للمغذّي». وتتعلق شدّة هذا التيار ببنية المحول، وزاوية الإغلاق، وسعة المحول، والبقايا المغناطيسية قبل الإغلاق، وغيرها من العوامل. تشير القياسات إلى أنّه نظرًا لارتفاع درجة تشبع القلب الحديدي في التيار الاندفاعي للمغذّي، فإن قيمة هذا التيار لدى المحولات التي تُشغَّل للمرة الأولى تتراوح عادةً بين 2 إلى 6 أضعاف التيار المقنن، وقد يصل أحيانًا إلى أكثر من 8 أضعاف. وبما أنّ التيار الاندفاعي للمغذّي يتدفّق داخل المحول فقط من جهة الشحن، فإن ذلك يؤدي إلى توليد تيار فرق جهد كبير في دائرة الفرق، مما يسبّب خللًا في نظام الحماية التفاضلية.
يتميّز تيار الاندفاع التحفيزي بالخصائص التالية: أ. قيمة تيار الاندفاع كبيرة جدًا وتحتوي على مكوّنات غير دورية واضحة؛ ب. شكل الموجة يشبه الشوكة ويكون متقطّعًا؛ ج. يحتوي على مكوّنات توافقيّة عالية واضحة، ولا سيما المكوّنات التوافقيّة الثانية التي تبرز بشكل أكبر؛ د. يتلاشى تيار الاندفاع التحفيزي مع الزمن.
وفقاً للخصائص المذكورة أعلاه لتيار الإثارة الداخلي، ومن أجل منع حدوث خلل في حماية التفاضلية للمحول ناجم عن تيار الإثارة الداخلي، يُعتمد في المشروع على ثلاثة مبادئ: ارتفاع نسبة التوافقيات الثانية، وعدم تماثل الشكل الموجي، وكبر زاوية الانقطاع في الشكل الموجي، وذلك لتحقيق إغلاق حماية التفاضلية.
(2) جوهر مبدأ الكبح بالتوافقي الثاني
يتمثل في استخدام مكوّنات التوافقي الثاني في التيار التفاضلي لتحديد ما إذا كان هذا التيار تيارًا عاطلًا أم تيار اندفاع بسبب التحفيز. وعندما تتجاوز نسبة مكوّن التوافقي الثاني إلى المكوّن الأساسي قيمةً معينة (عادةً 20%)، يُحكم بأن التيار التفاضلي ناتج عن تيار اندفاع التحفيز، ويتم إغلاق حماية التفاضل.
لذلك، كلما زادت نسبة كبح التوافقي الثاني، زادت كمية التيارات التوافقية الثانية المسموح بها في الموجة الأساسية، مما يؤدي إلى تدهور أداء الكبح.
(3) حماية تفاضلية سريعة الانقطاع
عند حدوث عطل خطير داخل المحول، وعندما يكون تيار العطل كبيرًا وتُشبع محول التيار (CT)، يحتوي تيار الملف الثانوي لمحول التيار أيضًا على عدد كبير من مكوّنات التوافقيات. ووفقًا للوصف السابق، يُرجَّح أن يؤدي ذلك إلى قفل أو تأخير عمل حماية التفاضل بسبب كبح التوافقي الثاني، مما قد يُلحق أضرارًا جسيمة بالمحول. ولحل هذه المشكلة، عادةً ما يتم تعيين حماية تفاضلية سريعة الفصل.
يُعدّ العنصر التفاضلي سريع الانقطاع في الواقع عنصراً تفاضلياً عالي القيمة للحماية الطولية. وعلى عكس العنصر التفاضلي العادي، فإنه يعكس القيمة الفعالة لتيار التفاضل. وبغض النظر عن شكل موجة تيار التفاضل ومستوى المكوّنات التوافقية المتضمنة، فما دامت القيمة الفعالة لتيار التفاضل تتجاوز قيمة الإعداد الخاصة بعنصر التفاضل سريع الانقطاع (وهي عادةً أعلى من قيمة إعداد الحماية التفاضلية)، فإن ذلك يؤدي إلى فصل المحول على الفور دون الحاجة إلى تطبيق معايير مثل تيار الدخول الناتج عن التحريض.
مقدمة موجزة عن الحماية الرئيسية للمحول، وعن استمرار حماية الاحتياط للمحول. توجد أنواع عديدة من تكوينات حماية الاحتياط للمحوّلات، ونقتصر هنا على التعريف الموجز بنوعين من حمايات الاحتياط: حماية التيار الزائد مع قفل الجهد، وحماية التأريض.
1. حماية من التيار الزائد
يُعدّ حماية التيار الزائد في نظام قفل الجهد المعاكس بمثابة الحماية الاحتياطية لأعطال القصر بين الأطوار في المحولات الكبيرة والمتوسطة الحجم. وهو مناسب للمحولات الرافعة، ومحولات الاتصال بالنظام، والمحولات الخافضة التي لا تتمكن حماية التيار الزائد فيها من تلبية متطلبات الحساسية. كما أن الجهد المركب المكوّن من جهد التسلسل السالب والجهد المنخفض قادر على كشف مختلف الأعطال ضمن نطاق الحماية، وتقليل قيمة الإعداد لحماية التيار الزائد، وتحسين الحساسية.
يتألف قسم الحماية من التيار الزائد مع الجهد المركب من عنصر الجهد المركب، وعنصر التيار الزائد، وعنصر الزمن. يُعد تيار الدخول المحمي هو التيار الثلاثي الأطوار للمرحلة الثانوية لمحول التيار، بينما يُعتبر جهد الدخول هو الجهد الثلاثي الأطوار للمرحلة الثانوية لمحول الجهد أو لأي جانب آخر. وفي حالة الحماية باستخدام الحواسيب الصغيرة، يمكن توفير جهد هذا الجانب إلى الجوانب الأخرى عبر البرمجيات، بما يضمن استمرار عمل حماية الجهد الزائد والحماية من التيار الزائد حتى عند إجراء صيانة أو إصلاح لأي محول جهد في أحد الجوانب. ويُبيّن مخطط منطق التشغيل في الشكل التالي.

2. حماية التأريض
من وسائل الحماية الاحتياطية لخطأ القصر إلى الأرض في المحولات الكبيرة والمتوسطة الحجم ما يلي: حماية التيار الزائد للسلسلة الصفرية، وحماية الجهد الزائد للسلسلة الصفرية، وحماية الفجوة، وغيرها. وفيما يلي عرض موجز لهذه الوسائل وفقًا لثلاثة أساليب مختلفة لتوصيل نقطة التعادل بالأرض.
(1) للمحولات ذات التأريض المباشر للحيادي
في حالة الجهد الكهربائي 110 كيلوفولت فما فوق، ووجود جهد تأريض مباشر للحياد، ينبغي تركيب حماية من تيار التسلسل الصفري تستجيب لعطل التأريض على جانب نظام التأريض ذي التيار العالي. وبالنسبة للمحولات التي تكون مؤرضة مباشرة على كلٍّ من الجهدين العالي والمتوسط، يجب أن تكون حماية تيار التسلسل الصفري ذات اتجاه محدد، بحيث يكون الاتجاه موجهاً نحو الموزع على كل جانب.
يتشابه مبدأ حماية التيار التسلسلي الصفري مع مبدأ حماية التسلسلي الصفري للخطوط، ويمكن الاطلاع عليه في العدد الثلاثين. يمكن قياس التيار التسلسلي الصفري من التيار الثانوي لمحول التيار المحايد، أو يمكن توليده ذاتيًا من التيار الثلاثي الأطوار الثانوي لمحول التيار على الجانب المحلي. أما الجهد التسلسلي الصفري المتصل بعنصر الاتجاه فيمكن قياسه من جهد المثلث المفتوح لمحول الجهد على الجانب المحلي، أو يمكن توليده ذاتيًا من الجهد الثلاثي الأطوار الثانوي على الجانب المحلي. وفي جهاز الحماية المحوسب الصغير، فإن الطريقة السائدة هي التوليد الذاتي.
بالنسبة للمحوّلات الكبيرة ذات الثلاثة ملفات، يمكن استخدام حماية تيار التسلسل الصفري بنظام ثلاثي المراحل. يتميز المرحلتان الأولى والثانية بوجود اتجاه، بينما لا يحتوي المرحل الثالث على اتجاه. وعادةً ما يُطبَّق في كل مرحلة تأخير من درجتين؛ إذ يُقلَّص نطاق العطل بتأخير أقصر (عند تجاوز وصلة المفاتيح أو مفتاح جانب الشريط)، ويُقطَع التيار عن المحول بتأخير أطول (عند تجاوز مفتاح الجانب الثلاثي). وتُحدَّد تركيبة الحماية المحددة وفقًا للظروف الفعلية.
كما هو موضح في الشكل، بعد تشغيل القسم الأول أو الثاني من حماية التيار ذي الترتيب الصفري الاتجاهي، يتم أولاً فصل المحول بتأخير أقصر t1 أو t3 عبر قاطع الدائرة على الجانب المحلي لتقليل نطاق تأثير العطل. فإذا استمر وجود العطل، يُفصل المحول بواسطة قاطع الدائرة الثلاثي الأطراف مع تأخير أطول t2 أو t4. أما المرحلة الثالثة فتتميز بعدم وجود اتجاه، حيث يتم فصل المحول مباشرةً بعد تأخير محدد.

(2) النقطة المتعادلة غير مؤرضة، و…
يمر تيار التسلسل الصفري عبر نقطة التعادل للمحول لتشكيل حلقة التسلسل الصفري. غير أنّه إذا كانت جميع نقاط تعادل المحولات مؤرضة، فإنّ تيار القصر عند نقطة التأريض يُشَتَّت إلى كل محول على حدة، مما يؤدي إلى انخفاض حساسية حماية التيار الزائد بالتسلسل الصفري. لذلك، وللحد من تيار التسلسل الصفري ضمن نطاق محدد، يتم تنظيم عدد المحولات التي تعمل بنقطة التعادل المؤرضة.
بالنسبة للمحوّلات التي تعمل دون تأريض، ومن أجل منع حدوث أضرار ناتجة عن الجهد الزائد في المحول بسبب قوس التفريغ عند نقطة العطل عند وقوع عطل أرضي، ينبغي تكوين حماية من جهد التسلسل الصفري.
نظراً لارتفاع مستوى العزل عند نقطة الحياد، فإنه عند حدوث عطل أرضي في النظام تُفعَّل حماية التيار المتسلسل الصفري لإيقاف المحول الموصول بالأرض عند نقطة الحياد، وإذا استمر العطل، تُفعَّل حماية الجهد المتسلسل الصفري لإيقاف المحول غير الموصول بالأرض عند نقطة الحياد.
(3) تأريض النقطة المحايدة
تُعدّ محولات الجهد الفائق عبر فجوة التفريغ محولات شبه عازلة، كما أن عزل نقطة التعادل في ملف نقطة التعادل أضعف من عزل الأجزاء الأخرى. ويعتبر عزل نقطة التعادل عرضة للانهيار الكهربائي؛ لذلك يلزم تركيب حماية بالفجوة.
تتمثل وظيفة حماية الفجوة في ضمان سلامة العزل عند نقطة التعادل للمحول.

كما هو موضح في الشكل، يُركّب فاصل انقطاع بين نقطة التعادل للمحول والأرض. عند إغلاق مفتاح العزل الأرضي، يُربط المحول بالأرض مباشرةً، وتُفعَّل حماية التيار الزائد للطور الصفري. وعند فصل مفتاح الفصل الأرضي، يُربط المحول بالأرض عبر الفاصل، وتُفعَّل حماية الفاصل.

يتم تحقيق حماية الفجوة باستخدام تيار الفجوة 3I0 المار عبر نقطة التعادل للمحول وفولتية الدلتا 3U0 لمحول الجهد الخاص بالبُسّ كمعيار.
إذا ارتفع نقطة التعادل للخطأ، ينهار الفاصل، فينشأ تيار فاصل كبير يعادل 3I0، وتنشط عندئذٍ حماية الفاصل، ويُفصل المحول بتأخير. بالإضافة إلى ذلك، عند حدوث عطل أرضي في النظام، يؤدي تأريض نقطة التعادل إلى تشغيل حماية التسلسل الصفري للمحول، ويُفصل أولًا المحول المتأرض عند نقطة التعادل. وبعد فقدان النظام لنقطة التأريض، إذا استمر وجود العطل، فإن جهد المثلث المفتوح لمحول الجهد على المفاتيح 3U0 سيصبح كبيرًا جدًا، وستعمل حماية الفاصل أيضًا. وتُبيّن منطق الحماية في الشكل التالي.